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无人机发展和系统组成第1章绪论“我热爱飞行，它能把我从琐事的重压中解放出来。”——安东尼·德·圣－德埃克苏佩里无人驾驶飞机是指由动力驱动、不搭载操作人员的一种空中飞行器。它依靠空气动力为飞行器提供升力，能够自主或遥控飞行，能携带多种任务设备、执行多种任务，可一次性或多次重复使用的无人驾驶航空器，简称无人机（UnmannedAerialVehicle，UAV）。由于无人机在完成相应任务时需要与任务载荷、测控与信息传输系统、起飞（发射）与回收系统、地面保障系统等配合工作，因此，无人机与以上各类装置和设备组成的完整系统称为无人机系统。无人机系统可由单个无人机构成，也可由多个同型的无人机或多型多个无人机共同构成。目前，在临近空间（20~100千米空域）飞行的飞行器，例如，平流层飞艇、高空气球和太阳能无人机等也被列为无人机的范围。从广义的角度来看，无人机可以在无人驾驶的条件下完成各种复杂的空中飞行任务和各种负载任务，因此，无人机也可以被看作是“空中机器人”。1.2无人机的分类无人机的应用领域非常广泛，无人机的尺寸、重量、性能及任务等方面差异也都非常大。由于无人机的多样性，因此，从不同的考量角度，无人机有多种分类方法。1.2.1按用途分类无人机按用途分类，可分为军用无人机与民用无人机两大类。1.军用无人机根据不同的军事用途和作战任务，军用无人机可分为无人侦察机/监视机、无人战斗机、通信中继无人机、电子干扰无人机和靶机等类型。（1）无人侦察机/监视机：无人侦察机/监视机是指借助机上的电子侦查设备，以获取目标信息为目的的无人机。它们通常采用的设备有：光学照相机、微光（红外）摄像机、电视摄像机、红外线行扫描仪、前视红外装置、热成像仪、CCD成像系统、激光指示器、激光测距仪和自动跟踪器、合成孔径雷达等。图所示为可用于实时监视、电子侦察和干扰、海上巡逻等任务的以色列“苍鹭”无人机，它可携带光电/红外雷达等侦察设备进行搜索、监测和识别。无人战斗机：是指可携带小型和大威力的精确制导武器、激光武器或反辐射导弹，执行空战或对地攻击任务的无人机。如图所示是美国的MQ-9“死神”无人战斗机，MQ-9“死神”无人机是一种极具杀伤力的新型无人作战飞机。除了攻击外，它还可以执行情报、监视和侦察等任务。（3）通信中继无人机：作为空中中继平台，通信中继无人机可增加信息的传输距离，即利用无人机向其他军用机或陆、海军飞机传送图像等信号，这些无人机一般都安装了超高频或甚高频的无线电通信设备。如图所示是可用于空中指挥和通信中继任务的无人飞艇。（4）电子干扰无人机：电子干扰是指利用有源或无源电子干扰设备，通过辐射电磁波或释放铝箔条和金属干扰丝，破坏敌方通信系统，干扰敌方电子设备，使其效能低下，甚至完全失效。目前，很多无人电子干扰机采用的是无源干扰方式，其基本的干扰设备包括铝箔条投放器、曳光弹投放器和雷达回波增强设备等。电子诱饵/欺骗无人机也是一种无源欺骗性干扰无人机。通过飞机上携带的干扰设备来增强地面雷达的反射回波，模拟真实目标，并通过飞机的速度和外形等方面来模拟战斗机或轰炸机的运动姿态，诱使敌方雷达或地面防空武器开机或开火，从而暴露地面雷达或地面防空武器的位置，消耗地方的火力，然后再通过其它武器装备对敌方的雷达或地面防空武器进行精确打击。图1-5所示是美国空军为F-16和B-52装备的微型诱饵无人机MALD-J，MALD-J诱饵无人机是一种飞航式空中发射诱饵，能在敌方雷达上敌方军机的雷达和飞行特征，消耗对方的防空力量。反辐射无人机是一种成本低、尺寸小（通常在2~3米范围内）、质量轻（多数小于150公斤）的一次性使用的电子干扰无人机。这种飞机上一般装有电子干扰设备、辐射探测器和战斗部。通常以100~300km/h的巡航速度飞到敌方雷达区域上空，进行长时间的盘旋，探测雷达信号，并进行骚扰。一旦雷达开机，无人机就能马上辨识并感应敌方的雷达信号，并在此信号的导引下向敌方雷达俯冲，摧毁敌方雷达。这种反辐射无人机使敌方雷达不敢开机，给有人攻击机创造了袭击的机会，是现代电子战中的一种重要武器。如图1-6所示的以色列“哈比”（Harpy）无人机就是一种反辐射无人机。军用无人机还有其他的分类方式，如果按无人机的杀伤性质分类可分为非杀伤、软杀伤和硬杀伤几大类，如图1-8所示。前面所述的靶机属于非杀伤类无人机，诱饵无人机属于软杀伤类无人机，而发辐射无人机则属于硬杀伤类无人机。2.民用无人机在民用领域方面，由于无人机具有成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等优势，因此得到了广泛的应用。其主要应用市场包括：航空拍摄、航空摄影、地质地貌测绘、森林防火、地震调查、核辐射探测、边境巡逻、应急救灾、农作物估产、农田信息监测、管道巡查、高压输电线路巡查、野生动物保护、科研实验、海事侦察、鱼情监控、环境监测、大气取样、增雨、资源勘探、禁毒、反恐、警用侦查巡逻、治安监控、消防侦查、通信中继、城市规划、数字化城市建设等多个领域。表1-1所示为民用无人机的分类划分。1.2.2按飞行平台构型分类无人机按飞行平台构型分类可以分为：固定翼无人机、无人直升机、多旋翼无人机、无人飞艇和伞翼无人机等，图中所示为最常见的无人机飞行平台。1.2.3按大小分类按照无人机的重量及外形尺寸的大小，无人机可以分为微型无人机、小型无人机、中型无人机和大型无人机几大类。大型无人机重量一般大于500～800kg；中型无人机重量一般在200～500kg内；轻型无人机重量一般在100～200kg；小型无人机重量一般在1～100kg以内；微型无人机重量一般小于1kg。表1-2所示为按大小分类的无人机的重量和尺寸数据对比。分类说明大型（重型）无人机通常是指飞机重量大于800kg（或500kg），翼展在十几米以上的无人机。中型无人机通常是指飞机重量大约在200kg~800kg（或500kg），翼展大约在10m以内的无人机。轻型无人机通常是指飞机重量大约在100~200kg，或只有几十公斤重的无人机。小型无人机通常是指飞机重量大约是几十公斤的无人机。微型无人机通常是指飞机重量在几十克至几百克，单一最大外形尺寸在15厘米左右或更小的无人机。1.2.4按飞行性能分类1.按速度分类无人机按速度分类可分为：低速无人机、亚声速无人机、跨声速无人机、超声速无人机和高超声速无人机。低速无人机速度一般小于0.4Ma（Ma为马赫数），亚声速无人机速度一般在0.4～0.85Ma，跨声速无人机速度一般在0.85～1.3Ma，超声速无人机速度一般在1.3～5Ma，高超声速无人机速度一般大于5Ma。图1-10所示为超声速和高超声速无人机的外形对比。2.按航程分类无人机按航程（或活动半径）分类可分为：超近程无人机、近程无人机、短程无人机、中程无人机和远程无人机。超近程无人机活动半径在5～15km之间，近程无人机活动半径在15～50km之间，短程无人机活动半径在50～200km之间，中程无人机活动半径在200～800km之间，远程无人机活动半径大于800km。图1-11所示为洛克希德马丁公司研制的RQ-3“暗星”（DarkStar）远程无人侦察机，其作战半径达900多千米。3.按实用升限分类无人机按实用升限分类可分为：超低空无人机、低空无人机、中空无人机、高空无人机和超高空无人机。超低空无人机实用升限一般在0～100m之间，低空无人机实用升限一般在100～1000m之间，中空无人机实用升限一般在1000～7000m之间，高空无人机实用升限一般在7000～20000m之间，超高空无人机实用升限一般大于20000m。图1-12所示为中国的“彩虹-3A”察打一体化中空无人机，作战半径为200千米。1.3无人机的发展从1917年发明的第一架无人机开始，到今天的无人侦察机、无人战斗机等军用无人机，以及在航空拍摄、地质地貌测绘、森林防火等方面广泛使用的民用无人机，无人机的发展已经历了近百年的历史。无人机因其具有无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便、成本低等优点逐渐受到世界各国的重视，并且在很多领域正逐步替代有人飞行器，承担越来越多的飞行任务。无人机的发展，大致经历了以下几个阶段：20世纪20~60年代，无人机主要作为靶机使用，是无人机发展的起步阶段；60~80年代，无人侦察机及电子战类无人机在战场上崭露头角，无人机开始进入实用阶段；从90年代起，无人机在现代高技术局部战争中得到了全面的应用，无人机在民用领域也得到了迅猛发展，无人机正处在一个迅速崛起和蓬勃发展的阶段。1.3.1起步阶段无人机的发展历史最早可以追溯到1917年，当时英国皇家航空研究院初步将空气动力学、轻型发动机和无线电三者结合起来，研制出世界上第一架无人驾驶飞机。同年12月，美国发明家埃尔默·斯佩里（ElmerSperry）使用他自己发明的陀螺仪和美国西部电气公司开发的无线电控制系统，成功地完成了为美国海军研制的“航空鱼雷”的首飞。受这次成功试飞的鼓舞，美国陆军航空队也采纳了查尔斯·凯特林（CharlesKettering）的方案，研制出了“自由鹰”式“航空鱼雷”飞机，两次世界大战期间，军用无人机技术主要体现在导弹和无人靶机两个方面。1918年，法国的第一架无线电遥控飞机试飞成功；1921年英国研制成功世界上第一架可以实用的无人靶机，该靶机可在近2千米的高度以160Km/h的速度飞行。1931年9月，英国费尔雷公司将一架“女王”有人驾驶双翼飞机改装成“费利王后”（FaireyQueen）靶机进行了9分钟的有控飞行。1932年，英国Home舰队将“费利王后”携往地中海作试验，检验Home舰队防空火力的效能及靶机的飞行性能。当时“费利王后”冲着Home舰队的密集防空火力飞行了2小时而未被击中，这不仅说明了当时海军防空武器的低效，同时也充分证明了靶机的实用价值。1933年英国又研制出了有名的“蜂后”（QueenBee）靶机，随即投入批量生产。这种靶机在1934~1943年共生产了420架，它们的使用一直持续到第二次世界大战之后。如图1-14所示为正在遥控“蜂后”靶机的英军士兵。可说是这个时期靶机发展的典型代表。当时美国为了训练战斗机飞行员和防空导弹操作手，着手研制一些可模仿当时战斗机、轰炸机性能的靶机，美国的瑞安航天公司（RyanAeronauticalCompany）在1948年赢得美国空军的合约，开始研制一种高亚声速、喷气推进的靶机，这就是后来久负盛名的“火蜂”靶机。由于设计成功，1953年开始成批生产，很快便有1280架早期的“火蜂”Q-2A与KDA型在美国三军和加拿大皇家空军服役。截止到1984年，共有近6500架“火蜂”系列靶机投入使用。如图1-15所示为美国“火蜂”靶机。在这个阶段，除美国外，法国、意大利、澳大利亚、加拿大、以色列、日本和德国等国也相继研制出多种靶机。因此，在很长一段时间内，靶机基本上就是无人机的一个代名词。无人靶机的发展也带动了遥控遥测技术、飞行控制与导引技术、小型发动机技术、发射与回收技术以及无人机专用设备等无人机关键技术的发展。在靶机的发展过程中，无人机技术先后突破了低速、高亚声速和超声速的速度飞行界限，同时也突破了超低空、低空、中高空和高空的空域飞行界限，为无人机今后的全面发展奠定了基础。1.3.2实用阶段1960年冷战期间，美国曾多次派U-2有人驾驶侦察飞机前往前苏联侦察导弹基地。1960年5月，美国中央情报局所属的一架U-2高空侦察机在前苏联领空被SA-2防空导弹击落，正是因为这一事件使得美国决定研制无人侦察机。美国空军很快启动了“专用飞行器”（SPA）计划，这个计划是在“火蜂”无人靶机基础上发展的无人侦察机计划。1960年夏，瑞安公司开始尝试将“火蜂”改型为一种具有低雷达可探测性、航程更远、操纵性更好的无人侦察机—147A，后来又很快改进完成了航程更远的147B型；随后又根据前苏联防空导弹的特点研制成功了有名的147D“萤火虫”无人侦察机。该机装有可搜集SA-2地空导弹制导系统信号特征